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1、一联合仪表讲义,徐翀,一、仪表基础知识,一、仪表分类 按照仪表在测量过程与控制系统中的作用划行划分，本装置内仪表可分为检测仪表、显示仪表、调节（控制）仪表和执行器。 检测仪表：温度检测仪表、流量检测仪表、压力检测仪表、物位检测仪表和分析检测仪表。 显示仪表：纪录仪表、指示仪表、模拟仪表和数显仪表。 调节仪表：可编程控制单元，PLC、调节器、DCS。 执行器：执行机构和调节阀两类。执行机构有气动执行器、电动执行器、液动执行器。调节阀有直通单座、直通双座、三通、角形、蝶阀、球阀、偏心旋转阀等。,字母表示仪表功能代号 字首 其他位置 A 分析 analyse 报警 alarm C 控制 contro

2、l D 密度 density E 检测元件 examine F 流量 flow I 指示 indicate L 液位 liquid level 低 low P 压力 pressure Q 累计 quantity R 记录 record S 开关 switch T 温度 temperature 传输 transmit V 调节阀 control valve,LC3112 LT3112-LICA3112-LV3112 FI3119 FT3119-FI3119 TI3150 TE3150-TI3150,第二章检测仪表 第一节 温度检测仪表 1、温度定义： 温度是表征物体冷热程度的物理量。温度不能直接

3、测量，只能借助于物体的热交换及其冷热程度而变化的物理特征加以间接测量。 高温物体向低温物体传热，直到两物体达到热平衡为止。测温就是利用这一原理进行测量。选择一种物体同被测物体相接触，来测量被测物体的温度。当选择物体与被测物体达到热平衡，则选择物体的温度与被测物体的温度相等，于是通过选择测温物体的物理量，如液体的体积、导体的电阻等物理参数，就能准确测量出被测物体的温度数值。 2、仪表分类： 非接触式测温仪表：测温枪 接触式测温仪表：热电偶、热电阻。,3、热电偶 测温的基本原理： 将A、B两种导体或半导体连接成闭合回路，如下图，如果将它们的两个接点分别置于不同的温度T、T0中，则在闭合回路中就产生

4、热电动势，简称热电势E，此中现象在物理学中称为热电效应。热电偶的测温原理，就是基于热电效应而进行的。 热电偶两端的热电势差可以用下式表示： EteAB（t）eAB（t0） 式中 Et 热电偶的热电势； eAB（t）温度为t时工作端的热电势； eAB（t0）温度为t0时自由端的热电势。,热电偶分类： （1）铂铑-铂热电偶（分度号S） 其电偶丝由直径=0.5MM的纯铂丝和相同直径的铂铑合金（铂90%、铑10%）制成。其中铂铑丝为正级，铂丝为负极。因采用纯金属，所以价格高，但其复现性和准确性高，测温范围：01300。 （2）镍铬-镍硅（镍铬-镍铝）热电偶（分度号K） 其测温范围为0900，热偶丝直径

5、为1.22.5MM。镍铬为正极、镍硅丝为负极。此种热电偶具有化学稳定性高、价格便宜、复现性号、线性好、产生热电势大等优点。 （3）镍铬-康铜热电偶（分度号E） 热电偶的特点是：热偶丝直径为1.22MM，镍铬丝为正极，康铜端为负极。测量范围为0600，这种热电偶灵敏度高，价格便宜。 （4）铂铑30-铂铑6热电偶（分度号B） 这种热电偶以铂铑30（铂70%，铑30%）为正极，铂铑6丝（铂94%，铑6%）为负极组成。其测温范围为01600。热电偶性能稳定、测量精度高、但其产生的热电势小。 通过对上述各种热电偶的特性及其优缺点和测量范围的分析，便于在工程应用的各种场合中选择不同热电偶进行温度测量。,冷

6、端的温度补偿： 为使热电势与被测温度间呈单值函数关系，需要热电偶自由端（冷端）的温度保持恒定（最好为0度），当然可以把热电偶做得很长，使自由端远离工作端，并同测量仪表一起放置到恒温或温度波动较小的地方，但这种方法一方面安装使用不方便，另一方面也要多耗费许多贵重的金属材料。因此，一般是用补偿导线将热电偶自由端延伸出来，远离工作端，延伸到温度恒定的地方，使t0稳定，同时用廉价金属代替了贵金属；便于安装和敷设。必须指出，热电偶补偿导线的作用只起延长热电极，使热电偶的冷端移动到控制室的仪表端子上，图本身并不能消除冷端温度变化对测温的影响，不起补偿作用。因此，还需采用其它修正方法来补偿冷端温度t00时对

7、测温的影响。 冷端温度校正法： 因各种热电偶的分度关系是在冷端温度为0时得到的，如果测温热电偶的热端为t，冷端温度为t0（t00），就不能用测得的E（t，t0）去查分度表得t，必须根据下式进行修正： E（t，0）E（t，t0）E（t0，0） 式中 E（t，0）冷端为0而热端为t时的热电势； E（t，t0）冷端为t0而热端为t时的热电势； E（t0，0）冷端为t时的热电势。,4、热电阻 热电阻测温原理： 热电阻测温是基于金属导体的电阻值随温度的增加而增加这一特性来进行温度测量的。热电阻大部分由纯金属材料制成，目前应用最多的是铂和铜。 热电阻测温系统的组成： 热电阻测温系统一般由热电阻、连接导线和

8、显示仪表等组成。必须注意以下两点： （1）热电阻和显示仪表的分度号必须一致； （2）为了消除连接导线因环境温度变化而引起检测误差，必须采用三线制接法。,A,A,B,常用热电阻的技术性能,5、一体化温度变送器 一体化温度变送器的特点是将传感器与变送器综合一体。变送器的作用是对传感器输出的温度变化信号进行处理，转换成相应的标准统一信号输出（4-20MA），送到显示、运算单元，以实现生产过程的自动检测和控制。,第二节 压力检测与变送 一、概述 压力：指均匀垂直的作用于单位面积上的力。 压力可用公式表示为： p 表示压力 F 表示垂直作用力 S 表示受力面积 一根据国际制单位，压力单位为帕斯卡，简称帕

9、(Pa)。 绝对压力、表压、真空度 ： 表压: p表压 = p绝对压力 - p大气压力 真空度(被测压力低于大气压):p真空度 = p大气压力 - p绝对压力,二、弹簧管压力表,1-弹簧管; 2-拉杆; 3-扇形齿轮,测量原理: 弹簧管1是压力计的测量元件。图中所示为单圈弹簧管，它是一跟弯成270圆弧的椭圆截面e的空心金属管。管子的自由端B封闭，管子的另一短股定在接头9上。当通入压力p后，由于椭圆形截面在压力的p作用下将趋于圆形,使弹簧管的自由B端产生位移,且与输入压力的大小成正比.所以只要测得点B的位移量,就能反映压力p的大小。,4-中心齿轮; 5-指针; 6-面板;,7-游丝; 8-调节螺

10、钉; 9-接头,二、智能压力变送器 智能压力变送器运用最广泛的是电容式压力变送器和扩散硅式压力变送器。本装置使用最多的是后者，产品为美国HONYWELL公司ST-3000型智能传感器 。,工作原理：扩散硅式压力变送器，其实质是以硅杯压阻传感器 为核心的变送器。它以N型单晶硅默片作敏感元件，通过扩散 杂质，使其形成4个P型电阻，并组成电桥。当膜片受压力后， 由于半导体的压阻效应，电阻阻值发生变化，使电桥有相应的 输出。 ST-3000型智能传感器 就是依据扩散硅应变电阻原理进 行工作的。它在硅杯上除制作了感受差压的应变电阻外，还同 时制作出感受温度和静压的元件，即把压差、温度、静压3个传 感器中

11、的敏感元件都集中在一起，组成带补偿电路的符合传感 器，将差压、温度和静压这3个变量转换成3路电信号，分时采 集后送入微处理器。微处理器利用这些信息数据进行运算处理， 产生一个高精度的输出。,第三节 流量仪表,一、概述,一在生产过程中，流量是一个重要的参数之一，为有效地进行生产和控制。故需对各种介质（液体、气体、蒸汽）的流量进行检测。 流量检测的方法很多，一般来说可按下面分类： 体积流量：容积法有椭圆齿轮、腰轮、旋转活塞 刮板；速度法有流体力学法、电学法、声学法、热学法、光学法；质量流量有推导法和直接法,就目前工业应用情况来看，无论是一般检测还是特殊检测，无论是大流量还是小流量，无论介质及工况如

12、何，大部分都是利用节流原理速度法中的流体力学法，进行流量检测，故我们重点介绍节流式流体检测方法。,流量可分瞬时流量及累积流量，瞬时流量是指在单位时间内流过管道某截面积的流量，可分为体积流量和质量流量。体积流量：如果流体通过某截面积各处的流速均相等，则可列出体积流量与速度的方程：Qv=VA. 实际上，流速并不相等，所以上式中V指平均速度，A为管道截面积。体积流量常用单位为：m/h、L/h等。 质量流量：如果流体密度为，则质量流量：Qm=Qv=VA。 质量流量常用单位：Kg/h,t/h。 总量又叫累积流量，QvT体积累积流量。QmT质量累积流量，通常把测量瞬时流量的仪表称为流量计，把用来计量总量的

13、仪表称为计量表。 影响流量检测的几个重要参数： A、雷诺数 表征粘性介质流动特性的一个无因次量，不仅影响检测可靠度，而且仪表选型的重要依据。 B、密度 C、可压缩性流量压缩系数 D、可压缩性流体的等熵指数K E、被测流体粘度,二、截流式检测元件 差压式流量计式是基于被测流体流动的节流原理，利用流经节流装置时生产的压差来检测流体的流量。 节流装置在直线管道中使流速产生局部收缩，结构简单，便于制造，工作可靠，使用性强，精度可达1%,但压力损失大，测量范围也较窄，50mm、1000mm。大口径流量不能测量。测肮脏介质和粘性介质也受到一定限制。,二、常用节流件的结构形式 标准孔板：又称同心直角边缘孔板

14、，其轴向截面孔板是一块加工成圆形同心的具有锐利直角边缘的薄板。孔板开孔的上游侧边缘应是锐利的直角。标准孔板有三种取压方式：角接、法兰及D-D/2取压；如图4.3所示。为从两个方向的任一个方向测量流量，可采用对称孔板，节流孔的两个边缘均符合直角边缘孔板上游边缘的特性，且孔板全部厚度不超过节流孔的厚度。,三、检测原理 在管道中流动的流体，具有动能和位能，并在一定的条件下这两种形式的能量相互转换，但参加转换的能量总和是不变的，节流元件是基于这一原理实现的。 我们仅以不可压缩理想流体，理想流体：流体对外作功，和外单元能量交换，流体本身没有温度变化。如果流速V,密度为，静压为P,其能量方程为： P/+

15、V/2=常数 公式（1） 这公式就是不可压缩性理想流体的伯努利方程。第一项P/我们称为静压能（压力位能），第二项V2称为动压能（动能）。 下图4、21的是工艺上常采用的孔板作为节流元件，我们来分析流体经过孔板后的流动状况和在孔板附近静压力，流速分布情况：,假设节流件上流入口前流速为V1,密度为1，静压为P1，流过节流件流速、密度、静压分别为V2、2、P2。根据伯努利方程： P1/1+V1/2=P2/2+V2/2 公式（2） 又流体的连续性方程为： AV11=aV22 公式（3） 因为是不可压缩性流体，所以1= 2=。 并假设管道直径为D,(A=/4D),节流件开孔直径d （a=/4d）,并令d

16、/D,由此可求出流体平均流速V2。 公式 （4） 令 ，称E为渐近速度系数。 则 公式（5） 公式（6）,以上是对理想流体推导出的流量公式，对于实际流体，由于具有粘性，流经节流件必然产生压力损失；对于可压缩性流体，前后密度也会发生变化。只要引入粘性流体和可压缩流体修正系数、膨胀系数就可以了。 公式（7） 公式（8） 式中 CE，称为流量系数。系数C和流量系数都是实验决定的。式中称为流速膨胀系数。 和P1、P2、P/P节流元件形式等都有关系，所以标准节流元件是大量实验数据总结后标准化的结果。 流量公式表明，当 d均为常数时，流量与差压的平方根或正比。所以一般来说应用这种测量法的流量仪表称为差压流

17、量计。差压是随流量值变化而变化的。 流量系数是流体雷诺数大于某一数值时，可认为是一常数，一般来说，雷诺数大于4000。流体处于紊流状态时， 可认为为常数， 为常数是保证检测精度的前提。,四、取压点的选择及差压信号管路的安装。 取压方式一般由角接取压法和法兰取压法两种方式。 取压口方向主要考虑被测流体为液体时，防止气体进入导压管，被测流体为气体时，防止水和脏物进入导压管，不会带来附加误差。如图 A被测流体为液体时，45. B被测流体为气体时45 引压管 导压管应该垂直或倾斜敷设，倾斜度一般不小于1：12。对于粘度高的流体，其倾斜度还应增大，在最高点和最低点分别装集气管或排气阀和沉降器或排污阀。

18、为了避免差压信号传送失真，正负导压管应尽量靠近敷设，严寒地区导压管应加装防冻设备，低沸点流体应和主管道采取同样的措施，防止汽化，以免产生假压差。 一般来说引压管越长，内径应越大，我们一般采用18的无缝钢管，引压管长度可以达到45米，一般测量地方都能满足了。,隔离器和隔离液。 喷吹系统和三阀组。 在测量含尘、催化剂、或危险性流体流量时，为防止被测流体进入导压管，可以以恒定压力向主管道内吹一定量清洁流体（如空气、水等）代替隔离系统。要对流量进行修正，投用前先投上反吹系统，校验仪表零点。 三阀组是任何一台差压变送器必装的部件，他的主要作用是启用仪表时，防止变送器单边受压而损坏检测元件。,差压信号管路

19、的安装 根据被测介质和节流装置与差压变送器（或差压计）的相对位置，差压信号管路有以下几种安装方式。,五、涡街流量计 检测原理：在流动的流体中，若垂直流动方向放置一个圆柱体。在某一雷诺数范 围内，将在圆柱体的后面的两侧交替产生有规律的漩涡，称为卡曼漩涡。漩涡的 旋转方向向内。 大量试验证明，单侧漩涡产生的频率f与流速v和直径d之间有如下关系： Sr斯特劳哈尔数 Sr是雷诺数的函数，Re与Sr的关系如下： Ao流通截面积 仪表常数,由上式可知，在斯特劳哈尔数Sr为常数时，流量qv与单侧漩涡产生的频率f成正 比。 常见的漩涡发生体有圆柱体，三角形，T柱形等。圆柱形的斯特劳哈尔数较大， 稳定性也强，压

20、力损失也小，但漩涡度较低。T柱形的稳定性高，漩涡强度大，但 损失也较大。三角形的压力损失适中，漩涡强度较大，稳定性也好，使用较多。,六、容积式流量计 原理：两个椭圆齿轮具有相互滚动进行接触旋转的特殊形状。P1和p2分别表示入口压力和出口压力，显然p1p2，图1（a）下方齿轮在两侧压力差的作用下，产生逆时针方向旋转，为主动轮；上方齿轮因两侧压力相等，不产生旋转力矩，是从动轮，由下方齿轮带动，顺时针方向旋转。在图1(b)位置时，两个齿轮均在差压作用下产生旋转力矩，继续旋转。选装到图1(c)位置时，上方齿轮变为主动轮，下方齿轮则成为从动轮，继续旋转到与图1(a)相同位置，完成一个循环。一次循环动作排

21、出四个由齿轮与壳壁间围成的新月形空腔的流体体积，该体积称作流量计的“循环体积”。设流量计循环体积为，一定时间内齿轮转动次数为N，则在该时间内流过流量计的流体体积为V，则 VN,七、转子流量计 浮子流量计的流量检测元件是由一根自下向上扩大的垂直锥形管和一个沿着锥管轴上下移动的浮子组所组成。工作原理如图所示，被测流体从下向上经过锥管1和浮子2形成的环隙3时，浮子上下端产生差压形成浮子上升的力，当浮子所受上升力大于浸在流体中浮子重量时，浮子便上升，环隙面积随之增大，环隙处流体流速立即下降，浮子上下端差压降低，作用于浮子的上升力亦随着减少，直到上升力等于浸在流体中浮子重量时，浮子便稳定在某一高度。浮子

22、在锥管中高度和通过的流量有对应关系。体积流量Q的基本方程式为 式中 仪表的流量系数，因浮子形状而异,八、质量流量计 如图1所示，当质量为m的质点以速度在对p轴作角速度旋转的管道内移动时，质点受到两个分量的加速度及其力。 1)、法向加速度 即向心力加速度r，其量值等于2r，方向朝向P轴；2）、切向加速度t 即科里奥利加速度，其量值等于2，方向与r垂直。由于复合运动，在质点的t方向上作用着科里奥利Fc=2m，管道对质点作用着一个反向力-Fc= -2m。当密度为的流体在旋转管道中以恒定速度流动时，任何一段长度x的管道都将受到一个Fc的切向科里奥利力。 式中 A管道的流通内截面积。由于质量流量计流量即

23、为m，m=A， 所以,因此，直接或间接测量在旋转管道中流动流体产生的科里奥利力就可以测的得质量流量，这就是CMF的基本原理。然而通过旋转运动产生科里奥利力是困难的，目前产品均代之以管道振动产生的，即由两断端固定的薄壁测量管，在中点处以测量管谐振或接近谐振的频率（或其高次谐波频率）所激励，在管内流动的流体产生科里奥利力，使测量管中点前后两半段产生方向相反的挠曲，用光学或电磁学方法检测挠曲量以求得质量流量。又因流体密度会影响测量管的振动频率，而密度与频率有固定的关系，因此CMF也可测量流体密度。CMF由流量传感器和转换器（或流量计算机）两部分组成，。为流量传感器一列一例，主要有由测量管及其支撑固定

24、桥架、测量管振动激励系统中的驱动线圈A、检测测量管挠曲的光学检测探头或电磁检测探头B、修正测量管材料扬杨氏模量温度影响的测温组件等组成。转换器主要由振动激励系统的振动信号发生单元、信号检测和信号处理单元等组成；流量计算机则还有组态设定、工程单位换算、信号显示和与上位机通信等功能。,第四节 物位仪表 一、物位仪表的种类和工作原理 在容器中液体介质的高低叫液位，容器中固体或颗粒状物质的堆积高度叫料位。测量液位的仪表叫液位计，测量料位的仪表叫料位计，而测量两种密度不同液体介质的分界面的仪表叫界面计。上述三种仪表统称为物位仪表。 物位测量仪表的种类很多，常用的有直读式液位计、差压式物位仪表、浮力式液位

25、计、电容式物位仪表、声波式物位仪表和核辐射物位仪表。此外，还有电触点式、翻板式等物位测量仪表。 直读式液位计是将指示液位用的玻璃管或特制的玻璃板接于被测容器，根据连通管原理，从玻璃管或玻璃板上的刻度读出液位的高度。直读式液位计结构简单、直观，但只能就地读数，不能远传。 差压式物位仪表是假定物料的重度为恒定值，容器中液体或固体物料堆积的高度与它在某测试点所产生的压力成正比，因而可用测压的方法来测量物位。测量压力可用压力表、压力传感器和压力变送器等。 浮力式液位计是根据液位变化时，漂浮在液体表面的浮子随之同步移动的原理工作的。这一移动距离通过机构传出或变成气信号或电信号，即可测出液位；也可将浮筒的

26、一部分浸入液体中，并使之不能自由漂浮，则其所受的浮力将随液位或相界面位置而变化，测出此浮力变化即可测出液位。 如果将浮筒所受浮力变化，经联杆和扭管传到变送器霍耳元件，并变换成相应的电信号输出，那么经过仪表就可显示或调节相界面。,电容式物位仪表的工作原理是把物位的变化，变换成相应电容量的变化，然后测量此电容量的变化从而得到物位变化的。电容式物位仪表用于测量导电、非导电液体或固体物料的液位、料位或相界面位置，可供连续测量和定点监控之用。 声波式物位仪表一般分为利用声波阻断原理和利用声波反射原理两类。声波阻断式物位仪表在物位升高而阻断从发射换能器到接收换能器的声束时，接受换能器接受到的声能会产生突变

27、，并发出突变的开关信号；声波反射物位仪表是根据声波从发射换能器到液面或料面，再从这一表面反射回到接收换能器的时间间隔，来测出物位的。,这里介绍几种常见的物位仪表： 1、压差式液位计 工作原理：压差式液位计,是利用容器内的液位改变时，由液柱产生的静压也相应变化的原理而工作的。.假定物料的重度为恒定值，容器中液体或固体物料堆积的高度与它在某测试点所产生的压力成正比，因而可用测压的方法来测量物位。测量压力可用压力表、压力传感器和压力变送器等。 H - 液位高度; - 介质密度; g - 重力加速度; PA、PB - 分别为 A、B 两处的压力。,2、电容式物位计 工作原理：在电容器的极板之间，允以不

28、同介质时，电容量的大小也不一样，因此，可通过测量电容的变化来检测液位、料位和两种不同液体得分界面。 L - 两极板相互遮盖部分的长度；d、D - 圆筒形内电极的外径和内径； - 中间介质的介电常数；0 - 空气介电常数,3、智能外浮筒液位变送器 浮筒液位变送器由浮筒室、 浮筒和扭管系统组成的传感部分、 变送器的转换部份 组成。 当浮筒室内液体的液位升降变化时， 引起由沉浸在液体中的浮筒受到浮力变化。 在浮力的作用下，扭管扭转一定角度，因液位不同，浮力也随之变化，扭管转角也随之变化，从而使液体与扭转角成比例关系。DM-2390 系列变送器部份通过一波纹管与扭管刚性连接起来，当扭管发生一个转角，就

29、引起波纹管转动并一直传递到一个由簧片支承的杠杆组件，使固定在杠杆组件上的一对磁铁摆动。摆动信号被霍尔元件感知。转变成霍尔电势信号(V=KBI)，经放大电路处理后，转换成 420mADC或数字信号输出。,4、导波雷达液位计 周期为1 ns的低功率电磁波被沿着一根刚性或柔性的导体发射，波和液体相遇，一部分被反射，通过计算返回时间即可测量液位。介质的介电常数越高，反射越显著。沿导体传输的微波以光的速度在介质中传播，因此与超声波相比，发射或反射波能量无任何衰减，比其他声波、电磁波强的多，泡沫、粉末、蒸汽等外界干扰对其测量无影响，同时也不受容器形状的影响，介电常数偏离也不影响物位测量。,第三章 分析仪表

30、,一、工业色谱仪 原理：色谱分析是一种物理化学的分析方法，特点是使被分析的混合物通过色谱柱将各组分进行分离，并通过检测器后的输出与组分的量成正比的信号。 载气由气瓶提供，经过流量调节阀和转子流量计后进入采样阀。被测试样从进样阀注入,并随载气一起进入色谱柱。色谱柱内的固定相是一些吸附剂，吸附剂或吸收剂对不同的物质有不同的吸附能力或不同的吸收能力。因此当包含样品的流动相流过固定相表面时，样品中各个组分在流动相和固定相中的分配比例不相同，使得各组分在色谱柱中流动的速度不同，进而使各组分离开色谱柱进入检测器的时间也不一样。检测器根据样品到达的先后次序测定出各组分及浓度信号。,1-载气钢瓶；2-减压阀；

31、 3-净化干燥管；4-针形阀；5-流量计;6-压力表；4-针形阀；5-流量计;6-压力表； 9-热导检测器；10-放大器；11-温度控制器；12-记录仪；,确定各组分百分含量的一种最简单的方法是按色谱图中各个峰波面积的相对大小来计算。样品中确定有4个组分，而它们的峰波面积分别为A1、A2、A3、A4，则第i个组分的百分含量为：,二、氧化锆分析仪 原理：在氧化锆管底的内外表面有两个铂电极，即参比电极和测量电极，分别带有两根铂引线，构成一个氧化锆测氧电池，即氧浓差电池。 测氧时：阴极： 阳极： 这样，就构成了以氧化锆管为电解质的浓差电池。两极之间的电动势E可由能斯特公式求得： 即如果把氧化锆元件加

32、热到规定的温度，测量气在一边流动，测量气中氧浓度和参比气中氧浓度之比的对数与电动势E成正比，因而只要测得电势E，便知被测气体中的含氧浓度。,R气体常数；T绝对温度，K; F法拉利常数； Px被测气体氧浓度百分数； Pa参比气氧浓度百分数 20.60,3、红外线分析仪 LGA-2000 系列半导体激光气体分析系统是现场在线检测气体浓度的精密测量系统，由发射单元、接收单元和中央分析仪器构成。由发射单元发出的激光束穿过被测烟道（或管道）,被安装在直径相对方向上的接收单元中的探测器接收，获得的测量信号通过缆线传输到中央分析仪器。中央分析仪器对测量信号进行分析，得到被测气体浓度。,“单线光谱”测量技术通

33、过测量被测气体某一特定吸收谱线来实现气体测量。首先，通过对被测气体吸收光谱的分析，选择某一位于特定波长的吸收光谱线，使得在所选吸收谱线波长附近无测量环境中其它气体组分的吸收谱线，从而避免了这些气体组分对该被测气体的交叉吸收干涉。然后，通过调节激光器的温度和驱动电流，将激光器的激光束波长调整对应到此吸收谱线波长处。测量时通过改变半导体激光器工作电流来改变半导体激光波长，从而使激光波长扫描过选择的吸收谱线 。,发射单元中发出的半导体激光穿过被测环境，然后落到接收单元中的光传感器上。在扫描激光波长时，由接收单元探测到的激光透过率将发生变化，且此变化仅仅是来自于激光器与接收器之间光通道内被测气体分子对

34、激光强度的衰减。光强度的衰减与发射和接收单元之间的被测气体含量成正比。因此，通过测量激光强度衰减可以分析获得被测气体的浓度。其它气体的吸收谱线不会出现在所选波长范围内，因此不会对选择的吸收谱线产生干扰，从而不会影响气体含量的测量。,第三章 执行器,一、概述 在过程控制系统中，执行器接受调节器的指令信号，经执行机构将其转换成相应的角位移或直线位移，去操纵调节机构，改变被控对象进、出的能量或物料，以实现过程的自动控制。 执行器常常工作在高温、高压、深冷、强腐蚀、高粘度、易结晶、闪蒸、汽蚀、高压差等状态下，使用条件恶劣，因此，它是整个控制系统的薄弱环节。如果执行器选择或使用不当，往往会给生产过程自动

35、化带来困难。在许多场合下，会导致控制系统的控制质量下降、调节失灵，甚至因介质的易燃、易爆、有毒而造成严重的事故。为此，对于执行器的正确选用和安装、维修等各个环节，必须给予足够的注意。 （一）执行器的分类及特点 执行器按其所使用的能源形式可分为气动、电动和液动三大类。,（1）电动执行器 电动执行器是以电能为动力的，它的特点是获取能源方便，动作快，信号传递速度快，且可远距离传输信号，便于和数字装置配合使用等。所以电动执行器处于发展和上升时期，是一种有发展前途的装置。其缺点是结构复杂，价格贵和推动力小，同时，一般来说电动执行器不适合防火防爆的场合。但如果采用防爆结构，也可以达到防火防爆的要求。 （2

36、）气动执行器 气动执行器是以压缩空气为动力的，具有结构简单、动作可靠稳定、输出力大、维护方便和防火防爆等优点。所以广泛应用于石油、化工、冶金、电力等部门，特别适用于具有爆炸危险的石油、化工生产过程。其缺点是滞后大，不适宜远传（150m以内），不能与数字装置连接。,（二）执行器的组合方式 目前执行器都有相应的辅助装置，如电/气转换器、阀门定位器等，根据实际需要可组成多种形式的电/气混合系统。 （1）气动调节器-阀门定位器-气动执行器 这是一种最为常用的气动控制系统组合方式。通过阀门定位器的辅助作用，可使气动执行器准确定位，同时可在一定程度上放大调节信号的压力，增大执行器的输出力（力矩），增强执行

37、器的工作平稳性。因此，一般适用于准确定位、差压较大的场合。 （2）气动调节器-气/电转换器-电动执行器 该组合方式通过气/电转换器将气动调节器的 气压信号成比例地转换成标准的电信号，从而推 动电动执行器工作，实现了气动信号的远传及与 数字装置的连接。 （3）电动调节器-电/气阀门定位器-气动执行器 这是目前应用较多的一种组合方式，通过电 /气阀门定位器可实现传输信号为电信号，现场操 作为气动执行器。因此具备电动和气动执行器的 优点。电/气阀门定位器实际上是电/气转换器和 气动阀门定位器的结合。,（三）执行器的基本结构 执行器由执行机构和调节阀（调节机构）两个 部分组成，为气动执行器的外形图。执

38、行机构是执 行器的推动装置，它根据控制信号的大小，产生相 应的推力，推动调节阀动作。调节阀是执行器的调 节部分，在执行机构推力的作用下，调节阀产生一 定的位移或转角，直接调节流体的流量。 为了保证执行器能够正常工作，提高调节质量 和可靠性，执行器还必须配备一定的辅助装置。常 用的辅助装置有阀门定位器和手轮机构。阀门定位 器利用反馈原理改善执行器性能，使执行器能按调 节器的控制信号，实现准确定位。手轮机构用于直 接操作调节阀，以便在停电、停气、调节器无输出 或执行机构损坏而失灵的情况下，生产仍能正常工 作。,二、执行机构 执行机构的作用是根据输入控制信号的大小，产生相应的输出力F（输出力矩M）和

39、位移（直线位移 或角位移），输出力F（输出力矩M）用于克服调节机构中流动流体对阀芯产生的作用力（作用力矩），以及阀杆的摩擦力、阀杆阀芯重量以及压缩弹簧的预紧力等其他各种阻力；位移（ 或）用于带动调节机构阀芯动作。 执行机构有作用和反作用两种作用方式：输入信号增加，执行机构推杆向下运动，称为正作用；输入信号增加，执行机构推杆向上运动，称为反作用。,（一）电动执行机构 电动执行机构接受电动调节器输出的010mA，DC或420mA，DC信号，并将其转换成相应的输出轴角位移或直线位移，去操纵调节阀，以实现自动调节。 电动执行机构主要分为两大类：直行程与角行程式。前者用于操纵直行程调节机构，后者用于操纵

40、转角式调节机构，两者都是以二相异步伺服电机为动力的位置伺服机构。角行程式执行机构又可分为单转式和多转式。单转式输出的角位移一般小于360度，通常简称为角行程式执行机构；多转式输出的角位移超过360度，可达数圈，故称为多转式电动执行机构，它和闸阀等多转式调节阀配套使用。,1、基本结构和工作原理电动执行机构由伺服放大器和执行单元两大部分. 为满足组成复杂调节系统的需要，伺服放大器有三个输入信号通道和一个位置反馈通道。因此，它可以同时输入三个信号和一个位置反馈信号。简单调节系统，只用其中一个输入通道和位置反馈通道。 伺服放大器将输入信号Ii和反馈信号If相比较，得到差值信号I（I=IiIf）。当差值

41、信号I0时，I经伺服放大器功率放大后，驱动伺服电机正转，再经机械减速器减速后，使输出转角增大 。输出轴转角位置经位置发送器转换成相 应的反馈电流If ，反馈到伺服放大器的输 入端使I减小，直至I=0时，伺服电机 才停止转动，输出轴就稳定在与输入信号 相对应的位置上。反之，当I0时，伺 服电机反转，输出轴转角减少，If也相 应减小，直至使I=0时，伺服电机才停 止转动，输出轴稳定在另一新的位置上。,（二）气动执行机构 气动执行机构接受气动控制器或阀门定位器输出的气压信号，并将其转换成相应的推杆直线位移，以推动调节阀动作。 气动执行机构主要有两种类型：薄膜式与活塞式。薄膜式执行机构简单、动作可靠、

42、维修方便、价格低廉，是最常用的一种执行机构；活塞式执行机构允许操作压力可达500kPa，因此输出推力大，但价格较高。 气动执行机构又可分为有弹簧和无弹簧两种，有弹簧的气动执行机构较之无弹簧的气动执行机构输出推力小、价格低。 气动执行机构有正作用和反作用两种形式。当信号压力增加时推杆向下动作的叫正作用式执行机构；信号压力增加时推杆向上动作的叫反作用式执行机构。 由于气动执行机构具有结构简单、可靠、本质安全防爆、维修方便等突出的优点，由其组成的气动控制阀一直是执行器的主流产品。即使自70年代以来电动控制仪表大量替代气动控制仪表，气动控制阀依然借助电/气转换技术被广泛使用，并得到不断发展和提高。,1

43、、气动薄膜式执行机构正作用式气动薄膜执行机构如图8-8所示。它主要由膜片、压缩弹簧、推杆、膜盖、支架等组成。膜片为较深的盆形，采用丁脂橡胶作为涂层以增强涤纶织物的强度并保证密封性，工作温度一般为4085；压缩弹簧现采用多根组合形式，其数量为4根、6根或8根，这种组合形式可有效降低调节阀的高度。 当信号压力通入由上膜盖1和波纹膜片2组成的薄膜气室时，在膜片上产生一个推力，使推杆4向下移动并压缩弹簧6， 当弹簧的反作用力与信号压力在膜片上 产生的推力相平衡 时，推杆稳定在一个 新的位置，推杆的位移即为执行机构的 输出。 气动薄膜执行机构的行程规格有10、 16、25、40、60、100mm等。薄膜

44、有效 面积有200、280、400、630、1000、 1600cm2等六种规格。有效面积越大， 执行机构的位移和推力也越大。,2、气动活塞式执行机构气动活塞式执行机构如图所示，其基本部分为气缸，气缸内活塞随气缸两侧压差而移动。两侧可以分别输入一个固定信号和一个变动信号，或两侧都输入变动信号。它的输出特性有比例式及两位式两种。两位式是根据输入执行机构活塞两侧的操作压力的大小，活塞从高压侧推向低压侧，使推杆从一个极端位置移到另一极端位置。比例式是在两位式基础上加有阀门定位器后，使推杆位移与信号压力成比例关系。 此外，还有一种长行程执行机构， 其结构原理与活塞式执行机构基本相同， 它具有行程长、输

45、出力矩大的特点，输 出转角位移为90o，直线位移为40200mm ，适用于输出角位移和力矩的场合。,（三）阀门定位器 阀门定位器是气动执行器的种辅助仪表，它与气动执行器配套使用。 气动调节阀中，阀杆的位移是由薄膜上的气压推力与弹簧反作用力平衡来确定的。实际上，为了防止阀杆引出处的泄漏，填料总要压得很紧。尽管填料选用密封性好而摩擦系数小的聚四氟乙烯优质材料，填料对阀杆的摩擦力仍是不小的。特别是在压力较高的阀上，由于填料压得很紧，摩擦力可能相当大。此外，被调节流体对阀心的作用力，在阀的尺寸大或阀前后压差高、流体粘性大及含有固体悬浮物时也可能相当大。所有这些附加力都会影 响执行机构与输入信号之间的定

46、位关系。使执行 机构产生回环特性，严重时造成调节系统振荡。 因此，在执行机构工作条件差及要求调节质量高 的场合，都在调节阀上加装阀门定位器。 阀门定位器接受调节器的输出信号后，去控 制气动执行器；当气动执行器动作时，阀杆的位 移又通过机械装置负反馈到阀门定位器，因此定 位器和执行器组成了一个闭环回路。所示是阀门 定位器的功能示意图。图中显示，来自调节器输 出的信号p0经定位器比例放大后输出pa，用以控 制气动执行机构动作，位置反馈信号外送回至定 位器，由此构成一个使阀杆位移与输入压力成比例关系的负反馈系统。,阀门定位器能够增加执行机构的输出功率，减少调节信号的传递滞后，加快阀杆的移动速度，能提

47、高信号与阀位间的线性度，克服阀杆的摩擦力和消除不平衡力的影响，从而保证调节阀的正确定位。,三、调节阀 调节阀又称调节机构，它在执行机构推力的作用下，调节阀的阀芯产生一定的位移或转角，从而直接调节流体的流量，从而达到调节工艺变量、实现自动调节的目的。 调节阀有正作用和反作用两种。当阀芯向下位移时，阀芯与阀座之间的流通截面积减小，称为正作用式，也称为正装；反之，则称为反作用式，或反装。 （一）、调节机构的种类 调节阀的品种很多，但根据阀芯的动作形式，调节阀可分为直行程式和角行程式两大类。阀杆带动阀芯沿直线运动的调节阀属于直行程类，阀芯按转角运动的调节阀属于角行程类。 图所示为实际产品中最常用的几种

48、调节阀结构示意图。由可见，调节机构主要由阀体5、阀座3、阀芯2和阀杆1或转轴10等部件组成。阀芯与阀杆或转轴之间采用螺纹或其它方式连接，阀芯由阀杆或转轴带动，阀杆或转轴与执行机构相连接。当执行机构带动阀杆移动或带动转轴转动时，阀芯与阀座之间的流通面积发生改变，即阀的开度发生改变，从而使流体的流量也发生相应的变化，达到调节的目的。下面对常用阀的特点及应用作一介绍。,直行程式的调节机构 1、直通单座阀 所谓单座是指阀体内只有一个阀芯和一个阀座。如图（b）、（c）所示。其特点是结构简单、泄漏量小(甚至可以完全切断)和允许压差小。因此，它适用于要求泄漏量小，工作压差较小的干净介质的场合。在应用中应特别

49、注意其允许压差，防止阀门关不死。 2、直通双座阀 直通双座调节阀图 (a)的阀体内有两个阀芯和阀座。它与同口径的单座阀相比，流通能力约大20%25%。因为流体对上、下两阀芯上的作用力可以相互抵消，但上、下两阀芯不易同时关闭，因此双座阀具有允许压差大、泄漏量较大的特点。故适用于阀两端压差较大，泄漏量要求不高的干净介质场合，不适用于高粘度和含纤维的场合。 3、角形阀 角形调节阀 (d)的阀体为直角形，其流路简单，服力小，适用于高压差、高粘度、含悬浮物和颗粒状物料流量的控制。一般使用于底进侧出、此种调节阀稳定性较好。在高压场合下，为了延长阀芯使用寿命，可采用侧进底出，但在小开度财容易发生振荡。,4、

50、三通阀 三通阀 (e)、(f)的阀体有三个接管口，适用于三个方向流体的管路控制系统，大多用于热交换器的温度控制、配比控制和旁路控制。在使用中应注意流体温差不宜过大，通常小于150，否则会使三通阀产生较大应力面引起变形，造成连接处泄漏或损坏。三通阀有三通合流阀和三通分流阀两种类型。三通合流阀为介质由两个输入口流进混合后由一出口流出，三通分流阀为介质由一入口流进分为两个出口流出。 5、套筒阀 套筒阀图 (h) 又叫笼式阀，是一种结构比较特殊的新型调节阀，它的阀体与一般的直通单座阀相似，阀内有一个圆柱形套简。根据流通能力的大小、套筒的窗口可分为为四个、两个或一个。利用套筒导向，阀芯可在套简中上、下移

51、动。由于这种移动改变了节流孔的面积，从而实现流量调节。 此阀具有不平衡力小、稳定性好、噪声低、互换性、通用性强，拆装、维修方便等优点，因而得到广泛应用。但不适用于高温、高粘度、含颗粒和结晶的介质控制。 角行程式的调节机构 蝶阀图 (g)的挡板以转轴的旋转来控制流体的流量。它由阀体、挡板、挡板轴和轴封等部件组成。其结构简单、体积小、重量轻、成本低、流通能力大，特别适用于低压差、大口径、大流量气体和带有悬浮物流体的场合，但泄漏量较大。其流量特性在转角达到70。前和等百分比特性相似，70以后工作不稳定，特性也不好，所以蝶阀通常在070转角范围内使用。蝶阀不仅在石油、煤气、化工、水处理等一般工业上得到

52、广泛应用，而且还应用于热电站的冷却水系统。,（二）、调节阀流通能力 所谓调节阀流通能力，在调节阀前后压差为100KPa，流体密度为1000Kg/m3条件下，每小时通过阀门流体流量。 知道设计的体积流量，调节阀允许压差，流体密度，可计算调节阀流通能力，通过流通能力，可确定公称直径、阀座直径，即可确定调节阀的尺寸。 （三）、调节阀的可调比 R=Qmax/Qmin，注意Qmin是调节阀最小可调节流量而不是全关时的泄漏量，一般Qmin是Qmax的24，而泄漏量0.1左右。 理想可调比是由调节阀结构决定 的，我国统一设计时一般取R=30。 （四）、流量特性 Q/Qmaxf（/L） 调节阀流量特性指介质流

53、过调 节阀的相对流量与相对位移（即 阀相对开度）之间的关系。,（五）、调节阀的不平衡力 流开，流闭 （六）、调节阀的风开，风关 FO :风关 FC：风开,第四章、控制系统,一、控制系统的组成 以常压塔底液位为例讲解控制系统的组成。 如果没有自动控制仪表，我们看人是如何来实现塔底液位的控制的。 控制回路的组成： 调节对象 塔及各种设备、物料 调节阀及附件 气开气关 测量变送仪表（既我们通常所说的一次表） 调节器（既我们通常所说的二次表） 正反作用,思 维,手 阀门,工艺对象,眼睛,控制目的 调节器LRC,二、工业调节器调节规律的选取和参数整定 （一）、控制性能 阶跃干扰：调节器在自动状态，迅速调

54、整给定值，使之产生一个跳跃式的变化。阶跃干扰是分析控制系统而引入的。 阶跃响应曲线：调节器引入阶跃干扰后，测量值跟随给定值变化,由原来的稳态过度到一个新的稳态而产生的曲线就是阶跃响应曲线。有时我们也叫它过度过程曲线。,我们说一个控制系统的性能（稳定性，准确性，快速）如何主要看阶跃响应曲线的以下几个指标 1、衰减比 n= B1/ B2 ，就是曲线最前两个相邻波峰幅度之比。这是反应衰减震荡快慢的一个指标，从而也是反应控制速度和稳定性的指标。 显然，n=1，是一种临界的等幅震荡，表明系统不受控制 n1，是一种放散震荡，当然由于输出限幅，这样调节器输出在0到100间变化，工艺参数将在很大范围内变化，系

55、统处于失控。 N1，衰减震荡，我们当然希望曲线是一种衰减震荡，根据具体的工艺过程，一般n取4：1到10：1（温度过程由于本身滞后较大，我们一般要求衰减比要大些）之间。 2、最大偏差（超调量） 就是指受控变量（测量值）第一个波峰与给定值或者稳态值的的偏差。 超调量指标是控制工艺参数处于安全或者保证产品质量的一个重要指标。 3、回复时间 被控变量在新稳态值5%（允许波动范围）内变化，我们认为达到了一个新的稳态，所需经历的时间。是表征控制速度的指标。,4、余差 过度过程结束后，被控变量在允许范围内波动，被控变量与稳态值或者设定值之间的差值，叫余差。是表征控制准确性的指标。 余差的大小是按工艺过程的实

56、际需要制订的，它是系统的静态指标。从控制系统的品质来讲，当然希望余差越小越好。但余差越小，对控制系统的的要求也就越高。余差的指标确定要根据实际要求而定，不可一概而论。,二、PID参数的作用 （1）比例调节的特点：1、调节作用快，系统一出现偏差，调节器立即将偏差放大K倍输出；2、系统存在余差。 K越小，过渡过程越平稳，但余差越大；K增大，余差将减小，但是不能完全消除余差，只能起到粗调作用，但是K过大，过渡过程易振荡，K太大时，就可能出现发散振荡。 （2）积分调节的特点：积分调节作用的输出变化与输入偏差的积分成正比，积分作用能消除余差，但降低了系统的稳定性，T1由大变小时，积分作用由弱到强，消除余

57、差的能力由弱到强，只有消除偏差，输出才停止变化。 （3）微分调节的特点：微分调节 的输出是与被调量的变化率成正 比，在引入微分作用后能全面提 高控制质量，但是微分作用太强， 会引起控制阀时而全开时而全关， 因此不能把T2取的太大，当T2由 小到大变化时，微分作用由弱到 强，对容量滞后有明显的作用， 但是对纯滞后没有效果。,三、如果要知道控制回路的作用方式，可以进入控制回路的细目画面，进入下图所示页面： 其中“CTLACTN”代表控制器 作用方式，“REVERSE”表示 反作用，“DIRECT”代表正作 用。 四、控制器的选择方法 P控制器的选择：它适用于控制通道滞后较小，负荷变化不大，允许被控

58、量在一定范围内变化的系统； PI控制器的选择：它适用于滞后较小，负荷变化不大，被控量不允许有余差的控制系统； PID控制器的选择：它适用于负荷变化大，容量滞后较大，控制质量要求又很高的控制系统，比如温度控制系统。,七、PID参数整定的方法 一般在工程应用中采用经验凑试法。 经验凑试法在实践中最为实用。在整定参数时，必须认真观察系统响应情况，根据系统的响应情况决定调整那些参数。观察系统响应效果，可以通过查看控制回路细目画面中的实时趋势曲线，衰减曲线最好是4：1，即前一个峰值与后一个峰值的比值为4：1。 经验值：在实际调试中，只能先大致设定一个经验值，然后根据调节效果修改，这里的P代表比例度，P1/K。 总之，在整定时不能让系统出现发散振荡，如出现发散振荡，应立即切为手动，等系统稳定后减小放大倍数、增大积分时间或减小微分时间，重新切换到自动控制。 放大倍数越小，过渡过程越平稳，但余差越大。放大倍数越大，过渡过程容易发生振荡。积分时间越小，消除余差就越快,但系统振荡会较大，积分时间越大，系统消除余差的速度较慢。微分时间太大，系统振荡次数增加，调节时间增加，微分太小，系统调节缓慢。 一句话：整定参数时要认真观察系统输出及被调量的变化情况，再根据具体情况适当修改PID参数。可以说，只要工艺技术员多花点时间，大多数控制系统采用PI